Имитационная модель обмена данными в среде корпоративного портала с агрегированным трафиком

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационная модель обмена данными в среде корпоративного портала с агрегированным трафиком

В последнее время наблюдается явная устойчивая тенденция к широкому привлечению методов компьютерного имитационного моделирования в процесс проектирования телекоммуникационных сетей. Инструмент моделей передается из области академических научных исследований в сферу практической деятельности сетевых интеграторов и интернет-провайдеров. Необходимость моделирования процессов в современных компьютерных сетях обусловлена не только увеличением их сложности и «интеллектуальности».

Разработка больших корпоративных сетей с возможностью передачи агрегированных данных становится относительно будничным процессом, востребованным массовым заказчиком. По всему миру над созданием методов и компонентов имитационного моделирования работают крупнейшие научные центры и производители телекоммуникационного оборудования [1;2].

Цель имитационного эксперимента состоит в построении модели агрегированного трафика в среде корпоративного портала (КП) с существенной долей голосового трафика в типовой конфигурационной топологии с условием ее относительно простой реализации и дальнейшего использования при проектировании.

В настоящее время широкое применение среди open source симуляторов нашел network simulator-2 (ns-2). Объектно-ориентированная архитектура ядра симулятора не зависит от используемой платформы и строится на языке C++, поэтому симулятор может собираться в среде практически любой операционной системы. Базовый язык программирования для создания новых модулей и написания сценариев имитационного моделирования - OTCL/TCL [1-3].

В модели в качестве основных топологических объектов рассматриваются узлы и межузловые соединительные линии. К узлам присоединяются агенты сетевых транспортных протоколов (TCP, UDP, RTP и др.), которые организуют между собой протокольные соединения. Поддержка в симуляторе транспортного протокола реального времени позволяет моделировать с помощью ns-2 структуру пакетов для передачи голосового трафика IP-телефонии. В свою очередь, к транспортным агентам присоединяются агенты приложений и генераторов трафика с возможностью формирования многопоточного трафика.

Симулятор имитирует большинство известных алгоритмов управления очередями в маршрутизаторах: WFQ, CBQ, RED, FIFO с механизмом drop-tail (DP) и др. Для проведения сеанса моделирования от пользователя пакета требуется разработка сценария - имитационной модели и программы, написанной на языке TCL.

Сценарий состоит из описания топологии сети, используемых протоколов, объема работ (некоторого количества событий, которые должны произойти в процессе моделирования) и параметров контроля. В качестве результирующих данных ns-2 выдает количество пакетов, посланных каждым источником, а также количество доставленных, потерянных и ретранслированных пакетов. Эти данные обычно записываются в трассировочный файл. В состав пакета ns-2 входит программа анимации network animator (nam), работающая на дампе этого выходного трассировочного файла. Программа nam позволяет в динамике наблюдать на мониторе весь процесс имитационного эксперимента [1;2].

Рис. 1. Агрегация трафика для полосы пропускания 5 Мбит/с

Математическая модель для нагрузки голосового трафика (VoIP) описывает только поведение генератора голосового трафика и может служить для исследования формирования пакетов различных кодексов. Голосовой трафик относится к классу неадаптивного UDP-трафика, и его поведение описывается ON/OFF марковским случайным процессом. Для формализации ON/OFF марковского процесса x(t) с экспоненциально распределенными ON/OFF периодами может быть использовано пуассоновское стохастическое дифференциальное уравнение:

, ,

где N₁(t) и N₂(t) - так называемые пуассоновские счетчики с интенсивностью соответственно л и м. По определению пуассоновский счетчик процесса N для потока пакетов равен:

,

где л - интенсивность потока пакетов пуассоновского процесса.

Для более полного исследования голосового трафика IP-телефонии, агрегированного в трафик среды корпоративного портала (КП), построим имитационную модель.

В качестве первого компонента сетевой нагрузки рассмотрим модель голосовой нагрузки. Представим, что узел нагрузки V поддерживает число num_voip активных голосовых сеансов IP-телефонии. Такой узел будет имитировать типовой шлюз IP-телефонии (например, производства Cisco) с num_voip голосовыми каналами. Можно также задать типовые узлы Vx...Vnum_voip, имеющие гиперссылки на определенные ресурсы. Параметры голосовых сеансов задаются типом используемого кодека и определяются из структурной модели генератора голосового трафика.

Второй тип нагрузки в имитационной модели задается как ТСР-нагрузка. Для описания прохождения TCP-трафика использована динамическая потоковая модель протокола TCP. В несколько упрощенном виде (без учета механизма тайм-аутов) модель описывается парой нелинейных дифференциальных уравнений:

;

.

Переменные уравнений соответствуют следующим параметрам протокола:

W - размер TCP-окна в пакетах;

q - длина очереди в пакетах;

R - RTT (round-trip time),

R = , с;

С - пропускная способность канала, пак./с;

Т_Р - задержка распространения, с;

N - показатель загрузки (количество ТСР-сеансов);

p - вероятность сброса пакета из очереди.

Длина очереди q и размер окна W имеют положительные значения в интервалах:

q ? [0,],

где - предельный размер очереди;

W ? [0,],

где - предельный размер окна.

Вероятность сброса пакетов находится в интервале [0,1]. Данная модель хорошо описывает динамику изменения длины очереди и схему управления ТСР-окном. Однако при возникновении сложных процессов, которые обязательно проявляются при сильном перемешивании разных типов трафика, лучше использовать имитационную модель [1;4].

В имитационной модели определен узел W, который обеспечивает интерактивную TCP-нагрузку на маршрутизатор в составе его агрегированного трафика. Нагрузку, которая направлена от web-сервера к web-клиентам, формируют num_web клиентов. Трафик для W принимается соответственно в узлах Wx...Wnum web.

Калибровка модели осуществлялась на основе выбранных выходных метрик: задержки пакетов, джиттера и процента потери пакетов. В исследовании рассмотрены агрегация каналов и поведение средней длины очереди в маршрутизаторе при использовании алгоритмов отбрасывания конца очереди типа RED. В топологической модели В в промежуточных узлах-маршрутизаторах формируется TCP-нагрузка, т.е. web- и ftp-трафик.

При фиксации параметров, связанных с топологией сети и конфигурацией каналов, разработанная имитационная модель обеспечивает отображение некоторого пространства сетевой нагрузки в пространство выходных метрик качества обслуживания. Проведена формализация модели в виде трехмерного дискретного целочисленного пространства нагрузки L = {v_k, w_l, f_m}, каждый вектор которого принимает неотрицательные целые значения для каждой составляющей. Первая составляющая вектора нагрузки означает число источников голосового трафика для имитационной модели, вторая - число web-клиентов, третья - число ftp-источников. Если значение равно нулю, то это означает отсутствие данного типа нагрузки. При проведении сеанса имитационного моделирования для каждого из типов трафика на выходе получаются три числа, которые характеризуют соответственно усредненную задержку из конца в конец, джиттер и процент потерь пакетов для этого трафика в сценарии данного сеанса.

Усредненная задержка вычисляется как среднее значение от суммы всех задержек между узлом-источником и узлом-приемником, разделенной на количество переданных пакетов. Например, для voip-трафика усредненная задержка

,

где pkt_voip - количество voip-пакетов, отправленных в течение данного сеанса.

Значение сглаженного джиттера равно

,

а процент количества недоставленных пакетов вычисляется по формуле

,

где пп_voip - количество принятых пакетов.

Таким образом, каждой тройке пространства нагрузки L = {v, w, f} имитационная модель ставит в соответствие тройку из пространства метрик качества обслуживания QoS = {d, l, j} (для каждого типа трафика). Существенное значение для IР-телефонии имеет попадание в ту область пространства качества обслуживания QoS, которая гарантирует качественное прохождение ее трафика. При этом для оценки качества обслуживания voip используется не шкала классической модели MOS, а зоны качества, которые характеризуются процентами потерянных пакетов и односторонней задержкой (мс).

Так как неприемлемое для качества голосового трафика значение джиттера появляется уже при неприемлемых для качества значениях задержки и процента потерь голосовых пакетов, то интерес представляет попадание функции отображения на проекцию плоскости {задержка, потери} в пространстве QoS.

Установлено, что попадание результатов имитационного моделирования в зону 1 (d < 100мс, l < 5%) означает, что нагрузка на сеть при заданных топологии сети и конфигурационных параметрах каналов и механизмов управления трафиком не влияет на качество голосовых сеансов. Зона 2 (d < 150мс, l < 10%) также является хорошим результатом. Показатели сеанса имитационного моделирования, попавшие в зону 3 (d < 400мс, l < 20%), свидетельствуют о серьезной нагрузке на сеть. Нагрузка, приводящая к вектору качества обслуживания в зоне 4 (d < 100мс, l < 20%), неприемлема для гарантии качества голоса в исследуемой сети [2;4].

Программное обеспечение имитатора среды корпоративного портала построено как набор клиент-серверных взаимодействующих компонентов. Имитационный сервер получает все необходимые параметры для проведения моделирования по протоколу http с помощью штатного linux web-сервера (типа apache). Сервер возвращает результаты моделирования вместе с построенными графиками обратно клиентскому компьютеру.

Установлено, что для алгоритмов активного управления очередями очень важным параметром является средняя длина очереди - сглаживаемое значение реального заполнения буфера обмена. Уменьшение этого значения, согласно формуле классического RED-алгоритма, приводит к уменьшению вероятности сброса пакетов.

Рис. 2. Время средних значений задержки и джиттера для голосового трафика, полученных экспериментально и с помощью имитационной модели

Оценка качества имитационного моделирования для вектора нагрузки, учитывающего число источников голосового трафика, web-клиентов, ftp-источников, осуществлялась на основе попадания его результатов в определенную зону, что позволяло оценить нагрузку на среду корпоративного портала при заданных топологии, конфигурационных параметрах каналов и механизмов управления трафиком. При этом для оценки голосового трафика применялись зоны качества, характеризующиеся процентами потерянных пакетов и односторонней задержкой.

Проверка точности имитационной модели осуществлялась на основе сравнения выходов модели и реальной системы при одинаковых входах. Использовался критерий оценки двух выборок. Была проверена статистическая гипотеза и сделан вывод о принадлежности выборки выходов системы и модели одной совокупности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

корпоративный сеть имитационный моделирование

1. Петунин, С.А. Принципы построения имитационных моделей передачи трафика IP-телефонии в корпоративной мультисервисной сети с перезагрузками: дис…. канд. физ.-мат. наук/ С.А.Петунин.- Челябинск, 2004.-110 с.

2. Еременко, В.Т. Математическая модель оценки производительности беспроводной вычислительной сети АСУ предприятия / В.Т.Еременко, С.И.Афонин, Д.А.Краснов [и др.] // Информационные системы и технологии. - 2011. - № 5. - С.11-20.

3. Еременко В.Т. Математическое моделирование процессов информационного обмена в распределенных управляющих системах: монография / В.Т.Еременко. - М.: Машиностроение - 1, 2004. - 224 с.

4. Еременко, В.Т. Моделирование процесса формирования экспертной группы по заданной тематике /В. Т. Еременко, М.А.Сазонов, С.И.Фомин, В.А.Петров // Информационные системы и технологии. - 2012. - № 3. - С.23-31.

Размещено на Allbest.ru